苹果坠落的一瞬
1666年夏末一个温暖的傍晚,在英格兰林肯伍尔索普,一个满头黄色大卷发的年轻人倚靠在背后的苹果树上,紧皱着眉头沉思着。
牛顿出生的故居
是什么力量让地球围绕着太阳转?这个问题时时萦绕心头,牛顿对此作了大量研究,可是真理如同黑暗中熹微的晨光,喷薄欲出,而牛顿却不能揭开这神秘力量的面纱。
一种压抑的感觉闷在牛顿心里,他开始烦躁地翻动手中的书页。
落暮下,宁静的村庄沉浸在一片祥和中,一阵微风吹过,苹果树的枝头开始微微晃动起来。
到底是什么呢?牛顿呆呆地望着远方出神,耳边一阵树枝微微的颤动声。
一颗成熟的苹果摇晃着,显然对外面的世界充满了向往,它顽皮地跳动着身子,跃跃欲试。
牛顿苹果树
牛顿的表情像雕塑一样僵着,让行星保持在椭圆轨道上的,到底是一种什么样的力呢?
那颗顽皮的小苹果终于自由了,它以9.8m/s2的加速度快速自由落体,啪一声!
它并没有如传说中所说,狠狠砸中了牛顿的脑袋,而是坠到了地面上,并滚了几圈。但是沉思中的牛顿恰恰捕捉到了这一瞬!
看到这一幕的牛顿突然蹦起来,脸上一阵抑制不住的狂喜,他弯下腰,捡起了这颗熟透的苹果。
牛顿捡起苹果
是什么力让苹果从树上落下来呢?牛顿敏锐地察觉到这司空见惯现象中似乎隐含着什么深意。牛顿屏住呼吸,大脑飞速运转着。
明白了…明白了!经过多年的研究,牛顿脑海中突然灵光一闪,真相如泉水般喷涌而出,让苹果坠落的力与让行星保持椭圆轨道的力是一样的!而这种看不见的力,并不一定局限在地球表面,而是可以延伸到很远很远的!
1726年春季的一天下午,已步入晚年的牛顿在与同时代的物理学家斯蒂克利闲谈时说起一段往事,这就是“牛顿与苹果树”故事的根源。
斯蒂克利回忆录手稿
斯蒂克利在回忆录中旁述道:“当时他(牛顿)正在冥思苦想,突然一个苹果从树上掉下来。他想:为什么那个苹果要垂直向下落到地面上?为什么它不斜着下落或飞到天上,而是始终朝着地心的方向?毫无疑问,原因就是地球在吸引它。”
记载牛顿与苹果树故事原型的一段
这颗人类历史上著名的苹果,也因此披上了一层神秘的面纱,而苹果砸中牛顿的故事是一个美丽的传说,仿佛上帝采摘下苹果,砸醒了牛顿的脑袋。天才的顿悟并非偶然,牛顿为此付出了非常艰辛的努力。
牛顿在剑桥大学学习天文学的时候,就已经非常刻苦地学习了他前辈们的基础研究:哥白尼坚信地球一定是围绕太阳转;开普勒认定一定有力在作用而使星球能在固定的轨道上运行;伽利略发现了惯性定律之后,至死坚持这种看不见的力来自太阳。
宇宙中无数天体无不受引力的作用
被砸醒的牛顿虽然解决了力的来源,却还是碰到一个很深刻的问题,如果这种力是直线的,那么,为什么月亮不会直接撞上地球,就像苹果砸向他头上那样呢?
这个问题困扰了牛顿数日,就当他毫无头绪准备打点行装返回学校的时候。仿佛是上帝的偏爱,真理再一次现身在他面前。
困扰的牛顿不知何故,突然想起曾经玩过的游戏,绳子一头系上水桶,只要手中握着绳子,然后飞快地转动水桶,就能把水桶从头顶不断旋转而水却不洒落出来。小孩子总是津津有味地看着,对水洒不出来的奇怪现象而啧啧称奇。
突然之间,就像被掀开了遮眼布,一切都合情合理了,月亮不会撞向地球,和水不会洒出都是有原因的。敏锐的牛顿立刻认识到,离心速度是问题的关键。苹果直接落下地面是因为它没有离心速度!
然而,对于这个突破,牛顿并不满足,一种对真理的求知欲振奋着他激动的心,他的直觉告诉他,这个不经意的发现将会对未来产生不可估量的影响!
回到剑桥大学的牛顿继续了对这种神秘的力的研究。首先,他认识到,物体彼此的距离越远,引力一定会变弱。离太阳越远的行星,必然比离太阳较近的行星所受引力小,但是这种力的变化到底会有什么规律呢?
牛顿低头测量天体
对真理的执着,对未知领域的渴望,牛顿没有停下代表着全人类进行探索的脚步。他运用了自己发明的二项式定理,通过了大量的实验观察和精确的计算,最终得出了经典的万有引力结论:一切物体相互吸引,引力与他们的质量成正比,而与它们之间的距离平方成反比。 1682年,牛顿解决了引力与距离的关系之后,便开始着手解决行星运行的轨道问题。通过一系列复杂的计算,牛顿得出了行星的运动轨道是椭圆的结论。
行星椭圆轨道
1684~1685年间,牛顿在剑桥做了一系列名为《论天体运动》的学术演讲,论证了万有引力定律的普遍性。他指出:宇宙中的每一个物体都吸引着其他的物体,这种力只取决与它们的质量和距离。不论这两个物体直接有什么性质差异,这种力都是存在的。在行星运动中,球状的物体间的吸引力都指向球心。
1685年,牛顿开始着手了他那本传世经典《自然哲学的数学原理》,在写作期间,牛顿倾尽全力,对周围的事情完全充耳不闻。当在花园散步的他突然有灵感的时候,会冲锋一样地奔回书房,人未坐稳便快速地记下那一瞬而过的意念。经过18个月的努力,牛顿的这本不朽的巨著终于完稿,创造性地将物体的运动归结为牛顿三定律和万有引力定律,从而建立起一个完整的经典力学体系。
剑桥大学公布《自然哲学的数学原理》手稿
法国著名思想启蒙作家伏尔泰,曾这样形容万有引力定律:“在开普勒之前,所有人都是瞎子。开普勒睁开了一只眼睛,牛顿睁开了两只眼睛。”
牛顿的万有引力定律,在卡文迪许等后人的不断补充扩展之下,取得了相当的成就。1957年10月4日,人类第一颗人造地球卫星在苏联成功发射升空。这一具有划时代的意义的重大事件,宣告了人类已经大步跨进空间时代。而牛顿这位不朽的科学伟人,为他执着的科学精神,为他奠定的近代科学技术的基础,为他一生留给全人类的宝贵科学财富,将永远受到后人的敬仰与感激!